專利名稱：基于升頻轉(zhuǎn)換的定圈式微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的采集器，特別是一種基于升頻轉(zhuǎn)換的 定圈式微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集器。
技術(shù)背景隨著微電子技術(shù)的日趨成熟，汽車傳感、嵌入式系統(tǒng)、RFID(無(wú)線射頻識(shí)別) 和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)正在迅速發(fā)展。這些技術(shù)要求供電部件具有體積小、 重量輕、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前主要的供電方式是電池和有線電源。電池壽命短， 存儲(chǔ)能量有限，相對(duì)上述器件而言體積和質(zhì)量大，當(dāng)工作壽命在幾年以上時(shí)，基 于電池的供電方式難以滿足傳感器節(jié)點(diǎn)的供電需求。無(wú)線通信以及各種生物植入 和結(jié)構(gòu)嵌入型微傳感器又要求系統(tǒng)脫離電源線的束縛，以汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為 例，通常要求將微能源和壓力傳感器及信號(hào)發(fā)送裝置一起植入輪胎內(nèi)部，傳統(tǒng)的 供電方式顯然已無(wú)法滿足上述新興技術(shù)對(duì)電源的特殊要求。必須尋找一種新的電 源，使之克服在上述問(wèn)題。因此，可自我維持微電源的研究成為微能源研究領(lǐng)域 的一個(gè)重要方向。振動(dòng)能量采集器作為一種新型的微電源，可以把系統(tǒng)周圍廣泛存在的機(jī)械振 動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，從而全天候地為各種低功耗的電子器件供電。目前完全集成制 造的微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集器輸出功率和電壓低，難以滿足低功耗器件應(yīng)用的 需求。究其原因，根據(jù)理論分析，采集器通常應(yīng)工作在諧振狀態(tài)(拾振臺(tái)的固有 頻率與環(huán)境振動(dòng)頻率相等)，此時(shí)受迫振動(dòng)振幅最大，而輸出功率與受迫振動(dòng)的 頻率立方及振幅平方成正比。目前自然環(huán)境中存在的振動(dòng)源頻率通常都在10 100Hz左右，如果在設(shè)計(jì)中按照諧振要求將器件工作點(diǎn)(拾振臺(tái)固有頻率)設(shè)置 在此較低的頻率下，當(dāng)線圈及永磁體尺寸受限時(shí)，輸出功率和電壓都難以滿足要 求，由于輸出功率正比于與頻率的立方，如果將工作點(diǎn)從幾十Hz提升至幾百Hz， 則輸出功率將提高三個(gè)數(shù)量級(jí)。但改變工作點(diǎn)則難以滿足諧振工作條件。因此設(shè)
計(jì)器件時(shí)，如果滿足諧振條件，則工作點(diǎn)頻率過(guò)低、若提高工作點(diǎn)頻率，則又不 滿足諧振條件，器件性能受到很大限制。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Kulah等在《IEEE SENSORS J0URNAL》(國(guó) 際電子電工學(xué)會(huì)傳感器學(xué)報(bào))，Vol8， No. 3， 2008， 261 268撰文"Energy Scavenging From Low—Frequency Vibrations by Using Frequency Up—Conversion for Wireless Sensor Applications (禾U用升步頁(yè)轉(zhuǎn)換從低步頁(yè)振 動(dòng)中收集能量用于無(wú)線傳感器")，該文提出采用升頻結(jié)構(gòu)來(lái)解決上述問(wèn)題，其基 本思路是，利用外界環(huán)境低頻振動(dòng)作用下的永磁體吸引位于其下方帶有線圈的懸 臂梁頂端的軟磁體，誘發(fā)含有線圈的懸臂梁發(fā)生高頻振動(dòng)并切割懸臂梁前方的另 一塊永磁體所產(chǎn)生的磁力線而產(chǎn)生功率輸出，從而將低頻環(huán)境振動(dòng)轉(zhuǎn)換為線圈切 割磁力線時(shí)的高頻振動(dòng)。初步結(jié)果表明，在同樣的外界振動(dòng)條件下，采用此方案 可以將輸出功率提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。該設(shè)計(jì)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)升頻轉(zhuǎn)換，但由于線圈制 作在可動(dòng)平臺(tái)上，導(dǎo)致器件制作工藝過(guò)于復(fù)雜，難以制作多層線圈。由于永磁體 要穿過(guò)線圈所在平面，因此永磁體占用了大部分面積，在器件面積一定時(shí)，限制 了線圈繞組的尺寸，包括繞組匝數(shù)和繞組長(zhǎng)度，因此線圈所能產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 也受到限制。同時(shí)，由于永磁體占據(jù)了大部分面積，懸臂梁的尺寸和形狀受到了 嚴(yán)格限制，在設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)時(shí)，難以通過(guò)調(diào)整懸臂梁的形狀和尺寸來(lái)改變懸臂梁 的剛度，難以通過(guò)改變阻尼孔的大小調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)部的阻尼力，進(jìn)而改變振幅和固 有頻率，只能在有限的幾個(gè)頻率點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)升頻轉(zhuǎn)換，難以滿足幾赫茲至幾百赫茲 這一較寬頻譜內(nèi)的任意頻段上利用升頻轉(zhuǎn)換高效采集能量的要求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種基于升頻轉(zhuǎn)換的定圈式 微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集器，使其滿足對(duì)低頻振動(dòng)能量采集效率高、頻率適應(yīng)性 好、易于集成制造等方面的綜合要求。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括低頻拾振臺(tái)、高頻諧振臺(tái)、 墊片和感應(yīng)線圈。高頻諧振臺(tái)位于感應(yīng)線圈上方，高頻諧振臺(tái)位于低頻拾振臺(tái)下 方，墊片位于高頻諧振臺(tái)和感應(yīng)線圈之間。所述的低頻拾振臺(tái)包括頂蓋、上層平面彈簧和起振永磁體和/或軟磁體。 頂蓋中央有凹坑，上層平面彈簧固定在頂蓋凹坑的邊沿上，上層平面彈簧包括上
層中央平臺(tái)及其四周的上層懸臂梁，起振永磁體和/或軟磁體固定在上層中央平 臺(tái)上，在高頻諧振臺(tái)的正上方。所述的頂蓋上凹坑深度為500微米至1000微米，邊長(zhǎng)為4毫米至6毫米。所述上層平面彈簧厚度為10微米-30微米。所述上層懸臂梁形狀為方螺旋型，寬度為50微米-200微米，均布于上層中 央平臺(tái)四周。所述上層中央平臺(tái)為方形或圓形，邊長(zhǎng)3毫米-5毫米。平臺(tái)上開(kāi)有邊長(zhǎng)為 50微米至500微米的阻尼孔。所述起振永磁體形狀為立方體或圓柱體，磁極位于起振永磁體頂面和底面。 所述軟磁體形狀為立方體或圓柱體。所述的高頻諧振臺(tái)包括邊框、下層平面彈簧、諧振永磁體，邊框中央有通 孔，下層平面彈簧固定在邊框上，下層平面彈簧包括下層中央平臺(tái)及其四周的下 層懸臂梁、諧振永磁體固定在下層中央平臺(tái)上，在感應(yīng)線圈的正上方，諧振永磁 體能相對(duì)于墊片上下直線運(yùn)動(dòng)和/或傾斜擺動(dòng)。所述的邊框上的通孔深度為500微米至1000微米，邊長(zhǎng)為4毫米至6毫米。所述下層平面彈簧厚度為10微米-30微米。所述下層懸臂梁寬度為100微米-500微米，形狀為蛙足型，均布于下層中 央平臺(tái)周圍。所述下層中央平臺(tái)為方形或圓形，位于上層中央平臺(tái)正下方，邊長(zhǎng)l毫米-2 毫米，平臺(tái)上開(kāi)有邊長(zhǎng)為50微米至500微米的阻尼孔。所述諧振永磁體形狀為立方體或圓柱體，磁極位于諧振永磁體頂面和底面， 極性與起振永磁體相反。所述墊片為環(huán)形，內(nèi)緣邊長(zhǎng)為4毫米至6毫米、厚度為200微米-400微米， 諧振永磁體能在此范圍內(nèi)相對(duì)于感應(yīng)線圈上下直線運(yùn)動(dòng)和/或傾斜擺動(dòng)、感應(yīng)線 圈相對(duì)于墊片不動(dòng)。所述的感應(yīng)線圈由感應(yīng)線圈繞組和絕緣襯底構(gòu)成，位于諧振永磁體的正下 方。感應(yīng)線圈繞組固定在絕緣襯底上，由方形或圓形的多層多匝螺旋金屬銅線圈 按螺旋漸開(kāi)的方式組合構(gòu)成，線圈的高度、線寬、匝與匝之間的距離都在io微 米-30微米范圍內(nèi)。線圈之間有氧化鋁或聚酰亞胺或聚氯代對(duì)二甲苯等絕緣材料。 本發(fā)明主要用于高效采集自然界環(huán)境中廣泛存在的各種200赫茲頻率以下的低頻振動(dòng)能。低頻拾振臺(tái)內(nèi)的懸臂梁比高頻諧振臺(tái)內(nèi)的懸臂梁軟、低頻拾振臺(tái)固有頻率低于200赫茲，高頻諧振臺(tái)固有頻率高于200赫茲。在受到低于200赫 茲的外界低頻振動(dòng)作用時(shí)，固有頻率較低的低頻拾振臺(tái)會(huì)發(fā)生諧振，帶動(dòng)起振永 磁體和/或軟磁體上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)皖l拾振臺(tái)帶動(dòng)帶動(dòng)起振永磁體和/或軟磁體向 下運(yùn)動(dòng)時(shí)，起振永磁體和/或軟磁體和高頻諧振臺(tái)上的諧振永磁體的距離不斷縮 小，由于起振永磁體和諧振永磁體極性相反，因此無(wú)論是起振永磁體還是軟磁體、 它們和諧振永磁體之間的磁場(chǎng)力都會(huì)隨距離的縮小不斷增大，會(huì)克服下層懸臂梁 內(nèi)部的彈性變形力吸引諧振永磁體向上運(yùn)動(dòng)，而下層懸臂梁內(nèi)部的彈性變形力會(huì) 隨著高頻諧振臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)而不斷增大；當(dāng)?shù)皖l拾振臺(tái)帶動(dòng)起振永磁體和/或軟磁 體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，起振永磁體和/或軟磁體和諧振永磁體的距離不斷增大，起振永 磁體和/或軟磁體和諧振永磁體之間的磁場(chǎng)力不斷減小，當(dāng)磁場(chǎng)力小于下層懸臂 梁內(nèi)部的彈性變形力時(shí)，高頻諧振臺(tái)在下層懸臂梁內(nèi)部彈性變形力的作用下向下 運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致高頻諧振臺(tái)產(chǎn)生上下振動(dòng)。由于高頻諧振臺(tái)的固有頻率高于200 赫茲，因此高頻諧振臺(tái)的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于低頻拾振臺(tái)的振動(dòng)頻率，從而將外界環(huán) 境中的低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)化為高頻諧振臺(tái)與固定在高頻諧振臺(tái)下方的感應(yīng)線圈之間的 高頻相對(duì)運(yùn)動(dòng)。高頻諧振臺(tái)上的諧振永磁體產(chǎn)生的磁力線穿過(guò)感應(yīng)線圈繞組，當(dāng)諧振永磁體 相對(duì)于感應(yīng)線圈繞組發(fā)生相對(duì)振動(dòng)、包括諧振永磁體相對(duì)于感應(yīng)線圈繞組的直線 運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)時(shí)，通過(guò)感應(yīng)線圈繞組的磁通量會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定 律，線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于感應(yīng)線圈在高頻諧振臺(tái)下方是固定的，相對(duì)于墊片是固定的，而不是在 可動(dòng)平臺(tái)上，因此在設(shè)計(jì)線圈時(shí)在器件面積內(nèi)無(wú)須設(shè)計(jì)可動(dòng)平臺(tái)的懸臂梁，可以 將面積完全用于布置線圈，因此在器件面積一定時(shí)，可以獲得面積更大、匝數(shù)更 多的線圈繞組，在相同的振動(dòng)下產(chǎn)生更大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。另一方面，由于感應(yīng)線 圈繞組固定在襯底上，易于制作兩層以上的多層線圈，因此可以在線圈面積一定 時(shí)進(jìn)一步增加匝數(shù)，在相同的振動(dòng)下進(jìn)一步增加感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于是通過(guò)改變磁通量來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而不是通過(guò)切割磁力線來(lái)產(chǎn)生感 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，諧振永磁體只位于感應(yīng)線圈繞組的一側(cè)而不穿過(guò)感應(yīng)線圈繞組所在平
面；在同等器件面積下，可以在高頻諧振臺(tái)下方布置面積較大、匝數(shù)較多的感應(yīng) 線圈繞組，在相同的振動(dòng)下產(chǎn)生更大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?？梢栽谥醒肫脚_(tái)上設(shè)置阻尼 孔，改變阻尼孔的位置和邊長(zhǎng)，可以調(diào)整低頻拾振臺(tái)和高頻諧拾振臺(tái)發(fā)生振動(dòng)時(shí) 受到的空氣阻尼力的大小。改變懸臂梁的形狀和尺寸，例如將懸臂梁設(shè)計(jì)成方螺 旋形或蛙足形、改變懸臂梁的寬度和/或厚度，就可以改變懸臂梁的剛度；從而 調(diào)整低頻拾振臺(tái)和高頻諧拾振臺(tái)的振幅和固有頻率。根據(jù)器件工作點(diǎn)靈活選擇中 央平臺(tái)上阻尼孔位置、大小以及懸臂梁的形狀與尺寸參數(shù)，以滿足不同工況對(duì)振 動(dòng)頻率的要求。改變低頻拾振臺(tái)上起振永磁體和/或軟磁體和高頻諧振臺(tái)上諧振永磁體的 尺寸，可以改變振動(dòng)時(shí)低頻拾振臺(tái)和高頻諧振臺(tái)之間的磁場(chǎng)力，也會(huì)改變振動(dòng)時(shí) 通過(guò)感應(yīng)線圈繞組中磁通量的變化量。在設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮上述影響因 素，合理確定永磁體和/或軟磁體的尺寸和位置。邊框、墊片的厚度是根據(jù)低頻拾振臺(tái)和高頻諧振臺(tái)的振幅確定的。對(duì)于尺寸 參數(shù)給定的低頻拾振臺(tái)和高頻諧振臺(tái)，理論計(jì)算可以求出結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時(shí)低頻拾 振臺(tái)與高頻諧振臺(tái)的最大位移。邊框的厚度應(yīng)大于低頻拾振臺(tái)最大位移和高頻諧 振臺(tái)最大位移之和，以確保低頻拾振臺(tái)的起振永磁體和/或軟磁體與高頻諧振臺(tái) 上的諧振永磁體不會(huì)在所設(shè)計(jì)的工況下因?yàn)榛ハ辔隙恋K低頻拾振臺(tái)和高頻 諧振臺(tái)的振動(dòng)。但如果邊框厚度太大，由于低頻拾振臺(tái)和高頻諧振臺(tái)距離太遠(yuǎn)， 起振永磁體和/軟磁體與諧振永磁體之間的磁場(chǎng)力過(guò)小，則難以實(shí)現(xiàn)低頻一高頻 轉(zhuǎn)換。墊片的厚度應(yīng)大于高頻諧振臺(tái)最大位移，以確保高頻諧振臺(tái)上的諧振永磁 體不會(huì)在所設(shè)計(jì)的工況下因?yàn)榕c感應(yīng)線圈接觸而妨礙高頻諧振臺(tái)的振動(dòng)。但如果 墊片厚度太大，高頻諧振臺(tái)上諧振永磁體相對(duì)于感應(yīng)線圈繞組發(fā)生相對(duì)振動(dòng)時(shí)引 起的磁通量變化也很小，難以產(chǎn)生足夠的感生電動(dòng)勢(shì)，因此需要綜合考慮升頻轉(zhuǎn) 換和產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的要求來(lái)確定合理的框架及墊片厚度。低頻拾振臺(tái)中的頂蓋和感應(yīng)線圈的襯底把采集器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外界環(huán)境隔 離開(kāi)來(lái)，起保護(hù)作用。頂蓋中凹坑的深度是根據(jù)低頻拾振臺(tái)最大振幅確定的，墊 片的厚度是根據(jù)高頻諧振臺(tái)最大振幅確定的，當(dāng)外界的振動(dòng)作用過(guò)大時(shí)，起振永 磁體和/或軟磁體在振動(dòng)過(guò)程中會(huì)因?yàn)楸豁斏w擋住而不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的振幅，從而 防止由于起振永磁體和/或軟磁體的振幅過(guò)大而導(dǎo)致低頻拾振臺(tái)發(fā)生破壞或者
與高頻諧振臺(tái)上的諧振永磁體吸合。同理，諧振永磁體所在的高頻諧振臺(tái)在振動(dòng) 過(guò)程中會(huì)因?yàn)楸桓袘?yīng)線圈擋住而不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的振幅而導(dǎo)致破壞或者與起振永 磁體和/或軟磁體吸合。因此，頂蓋和感應(yīng)線圈相對(duì)于低頻拾振臺(tái)和高頻諧振臺(tái) 可以起到限位保護(hù)作用。當(dāng)本發(fā)明的采集器結(jié)構(gòu)受到所處環(huán)境中的低頻振動(dòng)作用時(shí)，由于低頻拾振 臺(tái)和高頻諧振臺(tái)的升頻轉(zhuǎn)換作用，諧振永磁體和感應(yīng)線圈繞組會(huì)相對(duì)發(fā)生高頻受 迫運(yùn)動(dòng)，這會(huì)使線圈所在區(qū)域的磁場(chǎng)發(fā)生改變，進(jìn)而引起線圈中的磁通量發(fā)生變 化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。理論計(jì)算 表明，采集器輸出功率與受迫振動(dòng)的頻率立方成正比，由于通過(guò)本發(fā)明所提出的 結(jié)構(gòu)，可以在外界低頻振動(dòng)作用下使諧振永磁體和感應(yīng)線圈繞組相對(duì)發(fā)生高頻受 迫運(yùn)動(dòng)，因此與沒(méi)有采用升頻轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相比，能夠通過(guò)提高振動(dòng)頻率明顯提高能 量采集器的輸出電壓和輸出功率。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明將感應(yīng)線圈固定在諧振永磁體的下方，在同等 器件面積下，可以布置面積較大、匝數(shù)較多、層數(shù)較多的感應(yīng)線圈繞組，在升頻 轉(zhuǎn)換后相同的振動(dòng)下產(chǎn)生更大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；將起振永磁體和/或軟磁體與諧振 永磁體所在的結(jié)構(gòu)都設(shè)計(jì)成四周環(huán)繞懸臂梁的中央平臺(tái)，也易于調(diào)整懸臂梁的形 狀和尺寸參數(shù)、可以在上下層中央平臺(tái)上設(shè)置阻尼孔，靈活調(diào)整阻尼孔位置、大 小，以滿足不同工況對(duì)振動(dòng)頻率的要求，從而在幾赫茲至幾百赫茲之內(nèi)的各個(gè)頻 段上利用升頻轉(zhuǎn)換高效采集外界振動(dòng)的能量以獲得更高的輸出電壓和輸出功率、 具有更高的頻率適應(yīng)性；最后是所設(shè)計(jì)的固定線圈結(jié)構(gòu)便于采用微機(jī)械技術(shù)制 作，與可動(dòng)線圈的方案相比，易于制作層數(shù)較多的線圈繞組而不需要大量采用昂 貴的儀器設(shè)備，從而降低了器件制作的成本，簡(jiǎn)化了工藝步驟，易于利用集成電 路加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的截面示意圖 圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的俯視示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)
范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括低頻拾振臺(tái)l、高頻諧振臺(tái)2、墊片3和感應(yīng) 線圈4。高頻諧振臺(tái)2位于感應(yīng)線圈4上方，高頻諧振臺(tái)2位于低頻拾振臺(tái)1下 方、墊片3位于高頻諧振臺(tái)2和感應(yīng)線圈4之間。如圖l、 2所示，所述的低頻拾振臺(tái)l包括頂蓋5、金屬平面彈簧6和起 振永磁體7和軟磁體8。頂蓋5中央有凹坑，金屬平面彈簧6固定在頂蓋5凹坑 的邊沿上，金屬平面彈簧6包括上層中央平臺(tái)9及其周圍的兩根懸臂梁10，起 振永磁體7和軟磁體8固定在上層中央平臺(tái)9上，在高頻諧振臺(tái)2的正上方。所述的頂蓋5上凹坑深度為500微米至1000微米，邊長(zhǎng)為4毫米至6毫米， 可以采用玻璃或單晶硅等材料制作；所述金屬平面彈簧5厚度為10微米-30微米。所述上層中央平臺(tái)9為方形，邊長(zhǎng)3毫米-5毫米。平臺(tái)上開(kāi)有邊長(zhǎng)為50微 米至500微米的阻尼孔ll。所述上層懸臂梁10形狀為方螺旋型，寬度為50微米-200微米，懸臂梁IO 位于平臺(tái)9對(duì)角線的兩個(gè)頂點(diǎn)上。所述起振永磁體7形狀為立方體，磁極位于永磁體7頂面和底面，典型尺寸 是1X1X0. 3毫米。所述軟磁體8形狀為立方體，典型尺寸是2. 8X2. 8X0. 05毫米。所述的高頻諧振臺(tái)2包括邊框12、金屬平面彈簧13、諧振永磁體14，邊 框12中央有通 L，金屬平面彈簧13固定在邊框12上，金屬平面彈簧13包括下 層中央平臺(tái)15及其四周的四根下層懸臂梁16、諧振永磁體14固定在下層中央 平臺(tái)15上。在感應(yīng)線圈4的正上方，諧振永磁體能相對(duì)于墊片3上下直線運(yùn)動(dòng) 和/或傾斜擺動(dòng)。所述的邊框12上的通孔深度為500微米至1000微米，邊長(zhǎng)為4毫米至6毫 米，可以采用玻璃或單晶硅等材料制作。所述金屬平面彈簧13厚度為10微米-30微米。所述下層中央平臺(tái)15為方形，位于上層中央平臺(tái)正下方，邊長(zhǎng)1毫米-2亳 米，平臺(tái)上開(kāi)有邊長(zhǎng)為200微米至500微米的阻尼孔17。所述懸臂梁16形狀為蛙足型，寬度為100微米-500微米，均布于下層中央
平臺(tái)15的四個(gè)頂點(diǎn)上。所述諧振永磁體14形狀為立方體，磁極位于諧振永磁體14頂面和底面，極 性與起振永磁體7相反，典型尺寸是1X1X0.3毫米。所述墊片3為環(huán)形，內(nèi)緣邊長(zhǎng)為4毫米至6毫米、厚度為200微米-400微 米，諧振永磁體14能在此范圍內(nèi)相對(duì)于感應(yīng)線圈4上下直線運(yùn)動(dòng)和/或傾斜擺 動(dòng)。所述墊片3可以由單晶硅、各種金屬、SU-8負(fù)膠等材料制作。 所述的感應(yīng)線圈4由感應(yīng)線圈繞組18和絕緣襯底19構(gòu)成，位于諧振永磁體 14的正下方。感應(yīng)線圈繞組18固定在絕緣襯底19上，由方形的雙層多匝螺旋 金屬銅線圈按螺旋漸開(kāi)的方式組合構(gòu)成，線圈的高度、線寬、匝與匝之間的距離 都在10微米-30微米范圍內(nèi)。線圈之間有氧化鋁或聚酰亞胺或聚氯代對(duì)二甲苯 等絕緣材料20。根據(jù)理論計(jì)算，以上所述尺寸參數(shù)的結(jié)構(gòu)，低頻拾振臺(tái)的固有頻率小于50 赫茲，高頻諧振臺(tái)的固有頻率大于200赫茲，當(dāng)本實(shí)施例受到頻率低于50赫茲 的外界環(huán)境振動(dòng)作用時(shí)，由于低頻拾振臺(tái)1和高頻諧振臺(tái)3的升頻轉(zhuǎn)換作用，諧 振永磁體6和會(huì)在頂蓋5和感應(yīng)線圈4所圍成的封閉空間內(nèi)相對(duì)感應(yīng)線圈繞組 18發(fā)生頻率高于200赫茲的受迫運(yùn)動(dòng)，這會(huì)使線圈繞組18所在區(qū)域的磁場(chǎng)發(fā)生 改變，進(jìn)而引起線圈繞組18中的磁通量發(fā)生變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律， 線圈繞組18中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于采集器輸出功率與受迫振動(dòng) 的頻率立方成正比，因此通過(guò)本發(fā)明所提出的結(jié)構(gòu)，可以在低于50赫茲的外界 環(huán)境振動(dòng)作用下使諧振永磁體和較大面積的感應(yīng)線圈繞組相對(duì)發(fā)生高于200赫 茲的受迫振動(dòng)，并通過(guò)靈活調(diào)整阻尼孔ll、 17的尺寸、位置，懸臂梁IO、 16的 形狀、尺寸，在外界振動(dòng)頻率低于50赫茲的頻率范圍內(nèi)，與未采用升頻結(jié)構(gòu)的 方案相比，都能提高能量釆集器的輸出電壓和輸出功率一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
權(quán)利要求
1、一種基于升頻轉(zhuǎn)換的定圈式微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集器，包括低頻拾振臺(tái)、高頻諧振臺(tái)、墊片和感應(yīng)線圈，其特征在于所述高頻諧振臺(tái)位于感應(yīng)線圈上方，高頻諧振臺(tái)位于低頻拾振臺(tái)下方，墊片位于高頻諧振臺(tái)和感應(yīng)線圈之間；所述的低頻拾振臺(tái)包括頂蓋、上層平面彈簧和起振永磁體和/或軟磁體，頂蓋中央有凹坑，上層平面彈簧固定在頂蓋凹坑的邊沿上，上層平面彈簧包括上層中央平臺(tái)及其周圍的上層懸臂梁，起振永磁體和/或軟磁體固定在上層中央平臺(tái)上，在高頻諧振臺(tái)的正上方；所述的高頻諧振臺(tái)包括邊框、下層平面彈簧、諧振永磁體，邊框中央有通孔，下層平面彈簧固定在邊框上，下層平面彈簧包括下層中央平臺(tái)及其四周的下層懸臂梁、諧振永磁體固定在下層中央平臺(tái)上，在感應(yīng)線圈的正上方，諧振永磁體能相對(duì)于墊片上下直線運(yùn)動(dòng)和/或傾斜擺動(dòng)；所述的感應(yīng)線圈由感應(yīng)線圈繞組和絕緣襯底構(gòu)成，感應(yīng)線圈繞組固定在絕緣襯底上，感應(yīng)線圈在墊片下方固定不動(dòng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于升頻轉(zhuǎn)換的定圈式微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集 器，其特征是，所述上層平面彈簧厚度為10微米-30微米；所述下層平面彈簧厚度為10微米-30微米。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于升頻轉(zhuǎn)換的定圈式微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集器，其特征是，所述上層中央平臺(tái)為方形或圓形，邊長(zhǎng)3毫米-5毫米，平臺(tái)上 開(kāi)有邊長(zhǎng)為50微米至500微米的阻尼孔。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于升頻轉(zhuǎn)換的定圈式微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集 器，其特征是，所述下層中央平臺(tái)為方形或圓形，位于上層中央平臺(tái)正下方，邊 長(zhǎng)1毫米-2毫米，平臺(tái)上開(kāi)有邊長(zhǎng)為50微米至500微米的阻尼孔。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于升頻轉(zhuǎn)換的定圈式微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集 器，其特征是，所述上層懸臂梁形狀為方螺旋型，寬度為50微米-200微米，均 布于上層中央平臺(tái)四周。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于升頻轉(zhuǎn)換的定圈式微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集 器，其特征是，所述下層懸臂梁寬度為100微米-500微米，形狀為蛙足型，均 布于下層中央平臺(tái)周圍。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于升頻轉(zhuǎn)換的定圈式微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集 器，其特征是，所述的頂蓋上凹坑深度為500微米至1000微米，邊長(zhǎng)為4毫米 至6毫米。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于升頻轉(zhuǎn)換的定圈式微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集 器，其特征是，所述的邊框上的通孔深度為500微米至1000微米，邊長(zhǎng)為4毫 米至6毫米。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于升頻轉(zhuǎn)換的定圈式微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集 器，其特征是，所述諧振永磁體形狀為立方體或圓柱體，磁極位于諧振永磁體頂 面和底面，極性與起振永磁體相反。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于升頻轉(zhuǎn)換的定圈式微機(jī)械電磁振動(dòng)能量采集 器，其特征是，所述的感應(yīng)線圈繞組由方形或圓形的多層多匝螺旋金屬銅線圈按 螺旋漸開(kāi)的方式組合構(gòu)成，線圈的高度、線寬、匝與匝之間的距離都在io微米 -30微米范圍內(nèi)、線圈之間有絕緣材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種新能源技術(shù)領(lǐng)域的基于升頻轉(zhuǎn)換的定圈式微機(jī)械電磁式振動(dòng)能量采集器，包括低頻拾振臺(tái)、高頻諧振臺(tái)、墊片和感應(yīng)線圈，低頻拾振臺(tái)包括頂蓋、上層平面彈簧和起振永磁體和/或軟磁體。上層平面彈簧固定在頂蓋凹坑的邊沿上，上層平面彈簧包括上層中央平臺(tái)及其周圍的上層懸臂梁，起振永磁體和/或軟磁體固定在上層中央平臺(tái)上；高頻諧振臺(tái)包括邊框、下層平面彈簧、諧振永磁體，下層平面彈簧固定在邊框上，下層平面彈簧包括下層中央平臺(tái)及其四周的下層懸臂梁、諧振永磁體固定在下層中央平臺(tái)上；墊片位于高頻諧振臺(tái)和感應(yīng)線圈之間；感應(yīng)線圈繞組固定在絕緣襯底上，在墊片下方固定不動(dòng)。本發(fā)明轉(zhuǎn)換效率高、易于實(shí)現(xiàn)批量化集成制造。
文檔編號(hào)H02K35/00GK101399484SQ20081020192
公開(kāi)日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者丁桂甫, 戴旭涵, 趙小林 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)